Sintonia e simulação de reguladores de velocidade para turbinas hidraúlicas de reação

Abstract

Existe uma grande inserção de plantas hidroelétricas na matriz energética nacional. Entre essas plantas encontram-se as chamadas Pequenas Centrais Hidrelétricas ou PCHs. Para a entrada em operação dessas PCHs é necessário um conjunto de estudos, sendo um deles os estudos de estabilidade eletromecânica. No âmbito desses estudos, os reguladores de velocidade são fundamentais, uma vez que compõem os sistemas de controle carga-frequência, sendo responsáveis pelo controle da potência mecânica fornecida aos geradores síncronos pelas turbinas hidráulicas e, consequentemente, pelo controle de frequência do sistema. Tais dispositivos devem ser sintonizados de maneira a garantir uma operação estável dos sistemas de potência quando ocorrem perturbações nos mesmos. Este trabalho apresenta a comparação do desempenho de um sistema quando composto por turbinas Francis e Kaplan, usando quatro métodos clássicos de ajuste para reguladores de velocidade. Para tal, são introduzidos conceitos fundamentais do estudo de estabilidade de sistemas elétricos de potência e de turbinas hidráulicas, assim como apresentados os modelos dinâmicos dos componentes utilizados nas simulações e as metodologias de sintonia consideradas. Por fim, os modelos de turbina junto aos métodos de ajuste são adicionados a um sistema real composto por uma PCH conectada ao sistema interligado através de um sistema de distribuição radial. Esse sistema é simulado utilizando os softwares ANAREDE® e ANATEM®. Os resultados mostram uma semelhança entre os métodos de ajuste propostos, de modo que possam ser considerados como uma estimativa inicial no ajuste dos reguladores de velocidade.

There is a great insertion of hydropower plants in the national energy matrix. Among these plants are the so-called Small Hydroelectric Plants or SHPs. For the commissioning of these SHPs, a set of studies is required, one of them being studies of electromechanical stability. In the scope of these studies, the speed governors are fundamental since they make up the load-frequency control systems, being responsible for control the turbine mechanical power supplied to the synchronous generators and, therefore, for frequency control of the system. Such devices shall be tuned so as to ensure a stable operation of the power systems when disturbances occur in them. This study presents the comparison of a system performance when composed by Francis and Kaplan turbine, using four classic tuning methods for speed governors. For this, the fundamental concepts of the power systems stability study and the hydraulic turbines are introduced, as well as the dynamic models of the components used in the simulations and the adjusting methods considered in this study. Finally, the turbine models along with tuning methods are added to a real system composed of a SHP connected to the interconnected system through a radial distribution system. This system is simulated using the software ANAREDE® and ANATEM®. The results show a similarity among the tuning methods proposed in this study, so that these can be considered as an initial estimate in the speed governors adjustment.